宿舍燈光與預警智能控制系統(tǒng)設(shè)計

何龍，冉東陽，楊柳

（上海電機學院 電子信息學院，上海，201306）

0 引言

傳統(tǒng)的宿舍樓和教學樓的照明系統(tǒng)設(shè)定為手動開關(guān)，一旦打開開關(guān)，無論有人沒人，光照充足或者光照不足，燈光始終保持一定的狀態(tài)，不會自動增強光強，也不會自動關(guān)閉開關(guān)[1]。傳統(tǒng)的火災地震預警也僅僅停留在發(fā)出警報，在夜間火災、地震及各種事故中，缺少燈光常使得人群疏散困難，在事故發(fā)生后不久，照明電路系統(tǒng)也會被破壞，第一時間提供照明幫助人群疏散極為重要。

近年來，照明系統(tǒng)發(fā)展得越來越智能化和舒適化。智能照明系統(tǒng)可以根據(jù)光照強度和監(jiān)測照明區(qū)域是否有個體存在智能控制照明開關(guān)，充分節(jié)約能源[2]。地震預警技術(shù)飛速發(fā)展，密集地震的科學觀測使現(xiàn)有地震處理區(qū)別于傳統(tǒng)地震處理模式，大數(shù)據(jù)的地震信息處理使地震處理速度達到秒級。超快地震速報，可以達到地震發(fā)生后 5～10 s 就實現(xiàn)地震警報[3]。

本文設(shè)計了基于STM32 單片機控制，搭載ESP8266 WiFi 模塊及人體紅外、光敏傳感器等多種傳感器的宿舍燈光與預警智能控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)總體照明信息反饋并搭配多種傳感器感知照明環(huán)境智能控制燈光的開啟和關(guān)閉達到節(jié)能的效果，并在獲取火災地震的警報信息時發(fā)出警報并打開全部燈光提供照明幫助人群立即疏散。

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)以單片機總控制，由火焰檢測模塊、光強檢測模塊、語音識別模塊、煙霧檢測模塊、人體紅外感應模塊作為主要數(shù)據(jù)檢測部分；繼電器模塊控制照明模塊、災害報警模塊作為輸出模塊；WiFi 模塊聯(lián)網(wǎng)獲取地震預警信息，可與手機端進行互聯(lián)來控制照明模塊；電源模塊為系統(tǒng)提供電源。本系統(tǒng)達到以下幾點要求：能夠根據(jù)宿舍樓層空氣煙霧濃度等火災檢測數(shù)據(jù)，自動啟動火災警報；能夠根據(jù)聯(lián)網(wǎng)獲取地震預警信息，自動開啟地震警報；能夠根據(jù)語音識別和手機端等控制指令，自動控制私人區(qū)域照明；能夠根據(jù)夜晚宿舍樓層全部單間宿舍等私人區(qū)域照明情況，自動控制相應的公共區(qū)域照明；人體紅外感應模塊根據(jù)紅外檢測到有人時，自動開啟該公共區(qū)域燈光；能夠根據(jù)白天公共區(qū)域光敏模塊數(shù)據(jù)，自動調(diào)整公共區(qū)域燈光的亮度。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 光強檢測模塊

光強檢測模塊包括光敏電阻和電壓比較器兩部分，LM393電壓比較器獲得光敏電阻受環(huán)境影響改變的電壓值，不同環(huán)境下光強的限值可由自帶滑動電阻調(diào)整，感應測量到光照強度的大小[4]。將光信號的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電流強度信號后，單片機獲得并處理電流強度信號。光敏電阻有封裝可靠性大、體積小、反應速度快環(huán)保等優(yōu)點，且光敏電阻對光的敏感性近似人眼睛的感光性。光敏傳感器電路圖如圖 2 所示。

圖2 光強檢測模塊電路圖

2.2 人體紅外感應模塊

人體紅外感應模塊帶有調(diào)節(jié)距離的電位器，且人體感應模塊的靜態(tài)電流較小，適配性高，可以實現(xiàn)和各個電路的連接。人體傳感器的紅外探頭可以檢測到人體發(fā)出的紅外線，不受外界可見光的影響，它的工作原理為人體散發(fā)出大約為 10μm 波長的111 紅外線[4]，而紅外探頭能夠感應到由人發(fā)出的紅外光，通過菲涅爾透鏡能夠?qū)⑦@些光束中的紅外線集中并且去除其他輻射的影響。其工作環(huán)境下檢測有人時，輸出電平為高，工作環(huán)境下檢測到無人時，輸出電平為低，具有高靈敏度，高穩(wěn)定性等優(yōu)點。人體感應模塊電路圖如圖3 所示。

圖3 紅外人體熱釋電傳感器電路圖

2.3 繼電器模塊

繼電器用于電控制，當激勵量的浮動達到設(shè)定閾值時，使輸出電路中被控量進行設(shè)定階躍變化的元件。在本電路中工作時的繼電器可實現(xiàn)弱電控制強電，由控制器輸出的5V電壓控制 220V 的交流電[5]。繼電器原理圖如圖4 所示。

圖4 繼電器原理圖

2.4 WiFi 模塊

該WiFi 模 塊 采 用ESP8266 無 線 傳 輸 模 塊，采 取802.11b 的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議 ，WiFi 通信的傳輸速率最高可達到 11Mbps，可實現(xiàn)模塊與 MCU 單片機的串口通信。在物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)、可穿戴式電子元器件及第三方網(wǎng)絡(luò)信息獲取等方面具有多種用途[6]。ESP8266 電路原理圖如圖5 所示。

圖5 ESP8266 電路原理圖

2.5 災害報警模塊

ADC0832 是8 位分辨率的A/D 轉(zhuǎn)換芯片，分辨最高可達256 級，完全滿足一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。具有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，減少誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定。特定的芯片使能輸入，讓多器件掛接和處理器控制變得更加方便。DI 數(shù)據(jù)輸入端還可實現(xiàn)多種通道功能的選擇。ADC083控制喇叭輸出語音警報，蜂鳴器同時交替響起警報。如圖6所示。

圖6 ADC0832 與蜂鳴器組合成的地震報警模塊

2.6 煙霧檢測模塊

MQ-2 傳感器內(nèi)有二氧化錫氣敏材料，環(huán)境溫度達到特定溫度時，空氣中的氧被吸附在二氧化錫表面，二氧化錫中的電子密度降低，使其電阻值變大。它具有高靈敏度、快速響應、高穩(wěn)定性、高可靠性等優(yōu)點。當煙霧接觸到這種氣敏材料時，其晶粒間界處的勢壘會因為煙霧的濃度產(chǎn)生變化，導致二氧化錫導電率發(fā)生變化。煙霧的濃度增大會導致輸出電阻降低，輸出到單片機的模擬信號也會增大。煙霧檢測模塊電路原理圖如圖7 所示。

圖7 煙霧檢測模塊電路原理圖

2.7 火焰檢測模塊

火焰?zhèn)鞲衅骺梢宰R別并檢測到物體燃燒產(chǎn)生的光源，一般燃燒物燃燒時產(chǎn)生的光源波長范圍大約在 760～1100nm 之間，模塊內(nèi)的電位器可以讓傳感器對不同環(huán)境中的燃燒物光源進行檢測，輸出信號在其電路中處理后由比較器輸出，具有良好的輸出波形和負載能力強的驅(qū)動。火焰?zhèn)鞲衅麟娐吩韴D如圖8 所示。

圖8 火焰檢測模塊電路原理圖

2.8 語音識別模塊

語音識別模塊芯片內(nèi)部集成了高效的優(yōu)化算法，對帶有Flash 、RAM 的外設(shè)沒有必要的需求，很好地降低了電路的復雜程度。同時也不需要在使用過程中事先訓練和錄音來完成非特定人語音識別，識別準確率也比較高[7]。語音信息在MIC輸入后先進行頻譜分析，提取出聲音的語音特征信息。然后語音識別器將關(guān)鍵詞語列表中的數(shù)據(jù)與采集到的語音特征信息進行對比匹配，找出其中得分最高的關(guān)鍵詞語作為語音識別結(jié)果輸出。語音識別模塊原理如圖9 所示。

圖9 語音識別原理圖

圖10 電源模塊圖

圖11 主程序設(shè)計流程圖

2.9 電源模塊

電源模塊將220V 的交流電依次經(jīng)過整流、濾波和穩(wěn)壓電路后輸出設(shè)定范圍的直流電，提供正常的工作電壓給系統(tǒng)中的傳感器和單片機。220V 交流電先通過T1 降壓變壓器，將高壓交流電轉(zhuǎn)換為低壓交流電；再經(jīng)過四個二極管搭建而成的整流橋，把低壓交流電轉(zhuǎn)換為脈動低壓直流電；再通過電容 C1，濾除掉一部分交流分量；LM317 組成的可調(diào)穩(wěn)壓電路將會根據(jù)調(diào)節(jié) R1、R2 阻值大小改變輸出電壓值[8]。電源模塊如圖 10 所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)開始工作時，首先進行基本參數(shù)初始化，并連接WiFi，連接WiFi 成功后獲取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，其中包括地震預警信息、網(wǎng)絡(luò)時間和手機端對照明系統(tǒng)的無線控制指令等，連接WiFi 失敗后則再次參數(shù)初始化后重新連接；獲取網(wǎng)絡(luò)信息后進行火災和地震檢測，若檢測到災害發(fā)生則發(fā)出災害警報，并打開照明系統(tǒng)全部燈光，在檢測到災害消除時，關(guān)閉警報，如圖 11 所示。

燈光智能控制模塊子程序，如圖12 所示。其主要步驟包括：（1）語音識別模塊和手機端無線控制等照明控制指令檢測，打開或關(guān)閉私人區(qū)域照明（例如開關(guān)單間宿舍燈）；（2）獲取網(wǎng)絡(luò)時間等網(wǎng)絡(luò)信息；（3）若時間為白天，則光強檢測模塊檢測光照強度是否充足，不充足則打開該公共區(qū)域燈光，再次檢測到光照充足時關(guān)閉；（4）若不為白天，則獲取所有單間宿舍等私人區(qū)域照明信息，判斷是否打開公共區(qū)域燈光或關(guān)閉；（5）在夜間關(guān)閉公共區(qū)域燈光后，人體紅外感應模塊檢測到有人經(jīng)過，則打開公共區(qū)域燈光，再次檢測到無人時關(guān)閉。

圖12 燈光智能控制模塊子程序圖

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

本系統(tǒng)通過光強檢測模塊采集光強數(shù)據(jù)，火焰檢測模塊和煙霧檢測模塊檢測的數(shù)據(jù)判斷是否發(fā)生火災，WiFi 模塊獲取地震預警信息，同時獲取照明模塊信息。單片機對這些數(shù)據(jù)進行分析和處理，圖13 為測試數(shù)據(jù)顯示界面。圖14 為系統(tǒng)測試中手機通過微信小程序控制開關(guān)燈的小程序控制界面。圖15 為模擬聯(lián)網(wǎng)獲取地震預警信息。

圖13 測試數(shù)據(jù)顯示界面

圖14 小程序控制界面

圖15 模擬地震預警信息獲取圖

5 結(jié)論

本系統(tǒng)設(shè)計通過STM32 單片機對多種傳感器采集的數(shù)據(jù)進行分析處理并控制燈光系統(tǒng)，同時進行火災地震預警。與現(xiàn)有燈光控制系統(tǒng)不同的是，本系統(tǒng)加入了照明信息反饋，根據(jù)所有單間宿舍等私人區(qū)域照明信息的反饋并搭配多種傳感器控制照明，相比現(xiàn)有照明系統(tǒng)更加適用于不同生活作息的人群，同時實現(xiàn)了照明的舒適性和節(jié)能。使現(xiàn)有的火災地震預警技術(shù)與照明系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)作，在檢測到地震或火災發(fā)生時第一時間發(fā)出警報并為夜間第一時間疏散人群及尋找避難場所提供照明，減少人員傷亡。